热风阀阀板节能

热风阀阀板的节能探讨

马学东1 邢卫平2 王厉刚2李玲玲1

( 1.鞍山科技大学，辽宁 鞍山114044 ；2.秦皇岛冶金机械有限公司, 河北 秦皇岛 066004)

摘要：现有热风阀阀板承受着很大的热载荷，必须依靠强制冷却才能正常工作，相应的热损失和水泵耗电量相当可观，本文运用有限元方法对某钢铁公司的实际热风阀阀板的温度场进行了分析，探讨了节能的途径和措施，以上工作可为热风阀的节能降耗提供理论参考和依据。

Energy saving discussing of valve board for hot-blast valve

Ma Xue-dong Xing Wei-ping Wang Li-gang Li Ling-ling

(1.University of Science and technology Anshan,anshan 114044,china;2. Qinhuangdao Metallurgical Machinery Co. , L TD Qinhuangdao 066004 , China)

Abstract: Existing valve board for hot-blast valve is enduring prodigious hot load. In order to keep well-balanced work, it must depend on compulsive cooling.And corresponding heat loss and electricity consumption of water pump is considerable.In this paper,by making use of the finite element method,temperature field of actual valve board for certain steel corporation is analysed.And approach and measure for Energy saving is discussed..Above works can provide theoretical reference and basis for Energy saving and reducing consumption of hot-blast valve. Key words: 1 引言

热风阀是炼钢生产中必不可少的设备，阀板是热风阀的主体构件，它承受着高达1000℃~1350℃的高温，必须通过冷却才能正常工作，同国外同类型产品相比[1~2]，我国的热风阀阀板存在着体积大，耗能高，耗水量大（最大的为50t/h）等缺点，为了同国外产品缩小差距，提高热风阀的使用和维护水平，降低能耗，所以确切了解和定量化分析阀板的耗水和耗电量、热损失显得十分重要。 由于流体物性的复杂性，固体材料的热物性参数随温度变化的非线性，阀板几何形状的复杂性和阀板的复合换热的多样性，以及载荷工况的多变性，给热风阀阀板的热分析带来了很大的困难。目前，在国内，无论热风阀的设计单位，还是生产厂家，对热风阀阀板的热分析仅限于简单的手算和凭经验估算，严重制约了热风阀的产品质量提高和节能降耗。

有限元分析是处理复杂非线性问题行之有效的方法之一，对热风阀阀板进行数值模拟，可对阀板热载荷的数值和分布进行深入了解，对热风阀进行改造和合理维护的前提。本文采用大型有限元软件包ANSYS，对热风阀阀板温度场进行了分析，对节能降耗进行了讨论，并提出了节能降耗虚拟方案设计，目的是为热风阀的节能降耗提供依据和参考。

12212 热风阀阀板的传热学分析

热风阀的实际工作状态分为开启和关闭两个工况，两个工况的传热学机理是不同的。 （1）关闭状态（见图１）

关闭状态下，耐火水泥热面1受到风道和热风炉的烟道表面的热辐射作用，因为热风不流通，热风同耐火水泥热面1的对流换热属于大空间自然对流换热，阀板内水环有循环冷却水流动，根据雷诺数可判断出阀板内水环钢板表面2同冷却水的换热属于强制对流换热，同理，阀板外水环水道表面4同冷却水的换热也属于强制对流换热，关闭状态下，阀体滑道中的热空气可以看成是不流动的，滑道内热空气同外水环钢板表面3换热属于有限空间的自然对流换热，滑道表面同外水环钢板表面的温度在关闭状态下两者的温度接近于水温，两者之

1

间的热辐射可以忽略。 （2）开启状态（见图2）

开启状态下，阀板的耐火水泥热面1和滑道表面进行辐射热交换，因为耐火水泥热面1和滑道表面的间隙非常小，又间隙处的热空气近似不流动，可忽略它们和热风的对流换热，阀板内水环和外水环水道表面2、3同冷却水的换热属于强制对流换热，开启状态下，外水环钢板表面4下部被热风扫掠，外水环钢板表面4下部同热风的换热属于强制对流换热，同时，外水环钢板表面4还受到来自阀体滑道、热风炉风道表面的热辐射作用。 综上所述，热风阀的阀板同外界的热交换是复杂工况下的复合换热。 图1 阀板关闭状态下的热分析 图2 阀板开启状态下的热分析 Fig.1 Thermal analysis Fig.2 Thermal analysis when valve board is closed when valve board is opened 耐火水泥热面1、内水环钢板表面2、 耐火水泥热面1、内水环钢板表面2、 外水环钢板表面3、外水环水道表面4 外水环钢板表面3、外水环水道表面4 3 有限元模型的建立和边界条件的确定

3.1有限元模型的建立

根据实际工况，把有限元分析分解成开启、关闭两个工况，为了真实描述实际情况，采用瞬态分析，所用的时间为国内某钢厂实际热风阀工况的真实时间，开启45min，关闭90min。 （1）阀板几何模型

几何模型依据国内某钢铁公司正在使用的1.8m热风阀为原型，进行必要简化而成，为了控制计算规模和提高计算速度，作了如下简化：认为阀板中的水道是分布是均匀的，内水圈螺旋水道做同心圆处理；忽略进水管，出水管结构周围的微小筋板结构。简化模型如图1所示。

（2）有限元模型

几何模型具有轴对称特征，同时阀板两面的载荷也具有的对称性，设置单元的选项为轴对称，同时选用热分析单元PLANE55用于耐火材料衬和阀板钢质内外水圈的划分。考虑到风道、滑道的热辐射作用，采用带有孤立节点(N1,N2,N3)的表面单元来考虑辐射。程序中输

2

入耐火材料辐射率为0.95，钢材的辐射率为0.8，及Stefen—Boltzmann常数为5.67×10-8W/m2.K4。有限元模型见图2。 （3）材料热物理参数

钢材及耐火材料的物性参数，如比热容，导热系数等是随温度变化的，是温度的非线性函数，本文考虑这些变化，具体数据来源于文献[3~5]。

图1 几何模型

Fig.1 geometry model

3.2 边界条件的确定

阀板工况包含开启和关闭两个状态，两个状态的热对流和热辐射的边界条件是不同的。

图2有限元模型

Fig.2 finite element model 3.2.1 关闭状态热边界条件确定 （1）热辐射边界条件的确定

阀板关闭状态下，耐火水泥表面同风道的换热主要以辐射形式进行热交换，横向风道的表面温度值取关闭状态下的平均温度，（国内某钢铁公司现场实际数据）为1150℃，加在孤立节点N1，N2上(图2)。因为这时外水环和滑道的温度比较低，辐射换热非常小，可忽略不计。

（2）对流换热边界条件的确定

阀板关闭状态下，耐火水泥表面同风道的对流换热以自然对流换热方式进行，自然对流换热系数很小可忽略这部分换热。阀板耐火水泥表面同阀体钢板的对流换热属于有限空间的自然对流换热，换热系数的数值很小，可忽略这部分换热。 （3）水道表面的对流换热

内外水环水道表面的换热是矩形流道的受迫紊流流动换热，首先依据公式（1）计算出流道的定型尺寸。

de?4fU （1）

式中：de——为当量直径，m；f——流道断面面积，m2；U——流体湿润的流道周边，m。

依据迪图斯——贝尔特公式（2）计算出内外水圈的努塞尔数[3]。

Nuf?0.023Re0.8fPr0.4f （2）

式中：Nuf——为水的努塞尔数，Ref——为水的雷诺数，Prf——为水的普朗特数。

3

依据公式（3）计算出强制对流换热系数

??Nu?d （3）

式中：?——为对流换热系数，W/m2?℃；?——为水导热系数，W/m?℃，d——为特征尺寸，m。

流体通道呈螺旋型，流体将在流场中形成二次环流，应对α加入管道弯曲的修正系数。

??1?10.3(deR) （4）

3R式中：de——为当量直径，m；R——螺旋管的曲率半径，m；?——管道弯曲影响的修正系数。

3.2.2 开启状态热边界条件确定 （1）热辐射边界条件的确定

阀板开启状态下，阀板提升，缩到阀体的滑道内，耐火水泥表面同阀体的换热主要以辐射形式进行热交换，阀体同阀板正对面的阀体钢板温度值接近水温，取温度值为30℃。加在孤立节点上。阀板外水环下部的单元受到风道壁面的热辐射作用，可近似看成小物体大空间换热，把风道壁面温度1150℃加在孤立节点N3上。 （2）对流换热

阀板耐火水泥表面同阀体钢板的对流换热属于有限空间的自然对流换热，换热系数的数值很小，可忽略这部分换热，水道的强制对流换热依据公式（1）~（4）计算。

阀板开启状态下，阀板外水圈下部的表面被热风扫掠，属于热空气强制对流换热，依据外掠平板紊流平均换热准则关联式（5），可近似计算出其努塞尔数[3]。

Nuf?(0.037Re0.8f?870)Pr1/3f （5）

式中：Nuf——为热风的努塞尔数，Ref——为热风的雷诺数，Prf——为热风的普朗特数。 依据公式（3）计算出热风的强制对流换热系数。加在带有孤立节点（N3）的表面单元上。

4 计算结果和讨论

取特征点位置如图2所示。经结果的后处理得到特征点温度随时间变化的曲线如图3 和图4所示。

温 度 /℃

时间/s 时间/s

图3 耐火水泥热表面温度时间历程 图4 钢质骨架温度时间历程 Fig,3 temperature-time course for fire cement heat surface

4

温 度 /℃ Fig.4 temperature-time course for steel framework

由图3可知，在关闭时间内，耐火水泥的外表面温度上升到1081℃左右，在开启时间内，温度都下降到240℃左右，一个周期内温度变化幅值840℃左右，温度周而复始变化，容易引起耐火材料的热疲劳。

由图4可知，开启时，耐火材料冷表面2（钢板本体的热表面）的温度在热风阀的开闭的一个周期内（135min），温度处在30~37℃之间。在耐火材料的保护下, 钢板本体的热表面的温度变化为7℃。水道表面3的温度变化处在1℃之间。外水环表面处在44~54℃之间。

关闭状态下，外水环受到的热载荷很小，在50T/h水量下，内水环钢质骨架最高温度仅为37℃，也就是说，关闭状态下，水量和水流速度可减小，水动能也随之减小，水沿程能量损失也可相应减小，而水运动的能量全部来自水泵电机，水量和水流速度的减小意味着电能的节约。同时，水量和水流速度的减小，将会使热对流变弱，热损失将减小。

开启状态下，外水环下部表面受到热风扫掠和风道等热辐射，承受着很高的温度载荷，热风阀的整体寿命取决于这段时间的安全性和可靠性，这段时间外水环的水量和水速是不能随意减小的。

纵上所述，采用方案如下：在不改变现有热风阀结构的前提下，现场供水系统的水泵采用变频技术，开启时供水量为50T/h，关闭时供水量为12.5T/h。为了验证方案的可靠性，作数值模拟，得出相同特征点的温度随时间变化曲线如图5和图6。

温 度 /℃

时间/s 时间/s

图5 耐火水泥热表面温度时间历程 图6 钢质骨架温度时间历程 Fig.5 temperature-time course for fire cement heat surface Fig.6 temperature-time course for steel framework

图5和图3比较，曲线几乎没有变化，图6和图4比较，外水环表面的温度处在48~54℃之间，最高温度不变，温度差由10℃减小到6℃，热疲劳有所减轻。耐火材料冷表面2最高温度由37℃上升到40℃，水道表面3最高温度由31℃上升到33℃，虽然温度有所上升，但影响很微弱。说明降低水量是成功的。

降低水量后，经济效益是明显的，具体计算如下：

表1水量不变热风阀和水量改变阀板的耗电对比

1周期消耗动能/J （0.5mv） 5.063×10 1.740×10 5552 水量不变 水量改变 水速/m/s 3 流量/Kg/h 50×10（135min） 333温 度 /℃ 备注 0.75（90min）， 12.5×10（90min）， 3（45min）。 50×10（45min）。 不计沿程和局部损失能量 水量改变后，在一个周期内阀板节能3.322×10J，经计算每小时节约电能148度，每

度电按0.5元计算，每小时节电74元。水量改变后，热风阀每年节约电费64.8万元。以国

5

内某高炉为例，一座高炉有4个热风阀，若采用改变水量的工序，一座高炉每年可节约电费259.2万元。并且，水量消耗由每周期112T/h，下降到56T/h.

5 结论

1） 根据实际设备，实际工况，考虑材料参数随温度变化的非线性，热辐射传热的非线性，

进行了热风阀阀板的瞬态温度场的模拟。整套模拟思路和模拟方法对热风阀的热分析借鉴作用。

2） 定量化地设计了节约电能和降低水消耗方案，且节电，节水效果非常明显。 3） 定性说明了热风阀阀板的节约热能的部分措施。

4） 采用对比逼近方案设计，使节水、节电方案设计具有很强的可实施性和可靠性。

参考文献

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会,2005. [2]

PRYADKO VM; KOTOV KI; ZHAK AM; MAGALA VS; DIK MI; LUKIYANETS VM. Improvement

of the service life and efficiency of stove hot blast valves, Metallurg, n 4, Apr, 1971, p 8-10.

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任泽霈,梅飞鸣. 传热学. 北京:中国建筑工业出版社,1993. 钱滨江 简明传热手册 北京:高等教育出版社, 1983:188~190. 陈家祥. 连续铸钢手册. 北京:冶金工业出版社，1990:180.

作者简介：马学东，男，1965年生，内蒙赤峰人，博士，副教授。主要研究方向：从事机械热承载能力，节能等研究。

地址：鞍山科技大学机械学院。邮编：114044。电话：（0412）6348304 13332107681 Email：, madong912@126.net .

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